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02GaN功率器件的发展现状

www.p-e-china.com 2014/2/27 14:14:39 来源:中国电力电子产业网 电力电子论坛

  摘要:首先从器件性能和成本等方面分析了为何GaN功率器件是未来功率电子应用的首选技术方案,GaN功率器件具有无可比拟的性能优势,通过采用价格低且口径大的Si衬底,有望实现与硅功率器件相当的价格。其次,简要介绍了GaN功率器件的市场和行业发展现状,市场空间很大,除了专注GaN的新进公司外,世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷涉足。随后,从材料、器件技术、功率集成技术和可靠性四个方面分别简要介绍了GaN功率器件的技术发展现状。最后,简要列举了部分企业推出GaN功率器件产品的现状。

  1 引言

  近年来GaN功率器件已经成为了学术界和工业界共同关注和着力研发的热点,特别是Si基GaN功率器件已成为GaN在未来功率电子应用中的首选技术方案,原因如下:

  从理论上来讲,与硅类功率器件的性能相比, GaN功率器件的性能具有十分明显的优势。首先,转换效率很高,GaN的禁带宽度是硅的3倍,临界击穿电场是硅10倍,因此,同样额定电压的GaN功率器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右,大大降低了开关的导通损耗;其次,工作频率很高,GaN的电子渡越时间比硅低10倍,电子速度比在硅中高2倍以上,反向恢复时间基本可以忽略,因此GaN开关功率器件的工作频率可以比硅器件提升至少20倍,大大减小了电路中储能元件如电容、电感的体积,从而成倍地减小设备体积,减少铜等贵重原材料消耗,开关频率高还能减少开关损耗,进一步降低电源总的能耗;第三,工作温度很高,GaN的禁带宽度高达3.4eV,本征电子浓度极低,电子很难被激发,因此理论上GaN器件可以工作在800℃以上的高温。

  除了上述的GaN功率器件本身的性能优势外,还有如下原因:首先,Si的价格低,具有明显的价格优势;其次,通过外延技术可在更大尺寸的Si 衬底上得到GaN 外延片,为GaN 功率器件的产业化与商业化提供了更大的成本优势;第三,大尺寸的GaN-on-Si晶圆可使用已有的成熟的Si 工艺技术和设备,实现大批量的低成本的GaN 器件制造;最后,Si基GaN器件可与Si基的光电器件和数控电路等集成,利于形成直接面对终端应用的功能性模块。

  2 市场和行业发展现状

  据Yole Developpement的报告“Power GaN 2012” [1],GaN功率器件有巨大的市场空间,2011年半导体功率器件市场空间约为177亿,预计到2020年该市场空间会增加8.1%,达到357亿。应用GaN功率器件的电源市场可能在2014年启动,然后迎来一个高速发展期,到2020年,不含国防预算有望实现20亿美元的销售。

  目前,50%功率器件的生产线是6英寸的,很多工厂正在转投8英寸生产线,2011年Infineon成为第一家引进12英寸生产线的工厂。GaN功率器件也进入了发展期,除了专注GaN的新进公司(如:EPC、Transphorm和Micro GaN等)外,世界排名靠前的功率半导体企业也纷纷介入GaN功率器件,有曾做硅的企业如IR、Furukawa、Toshiba和Sanken等,有曾做化合物半导体的企业如Infineon、RFMD、Fujitsu和NXP等,有做LED和功率器件的企业如Panasonic、Sumsung、LG和Sharp等。对于GaN功率器件供应商,IDM已成主流业态,如IR、Panasonic、Sanken和Transphorm等均是IDM企业。目前,对GaN功率器件企业的投资额还在不断增长,2012年7月AZZURRO融资了260万欧元发展8寸GaN-on-Si外延片,同年10月Transphorm又筹集了3500万美元发展GaN功率器件,今年5月UK政府资助NXP 200万英镑在Hazel Grove发展GaN功率器件。

  3 技术发展现状

  3.1 GaN-on-Si材料

  目前,4英寸和6英寸GaN-on-Si晶圆已经实现商用化,一些科研机构和公司相继报道了8英寸GaN-on-Si晶圆的研究成果[2,3]。2012年新加坡IMRE报道了200mm AlGaN/GaN-on –Si(111)晶圆。同年,新加坡The Institute of Microelectronics 和荷兰NXP宣布合作开发了200mm GaN-on-Si晶圆及功率器件技术。比利时IMEC、美国IR、美国IQE、日本Dowa和德国Azzurro等公司也正在开发200mm GaN-on-Si外延技术。

  现在4英寸及以上的大直径硅衬底上生长GaN外延技术正在快速发展并终会走向成熟,目前面临的主要问题如下:一是失配问题,硅衬底与GaN之间存在晶格常数失配、热膨胀系数失配和晶体结构失配。二是极性问题,由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性半导体,而GaN原子间是极性键属极性半导体。三是硅衬底上Si原子的扩散问题,降低了外延层的晶体质量。

  3.2 器件技术

  3.2.1提高击穿电压

  理论上在相同击穿电压下,GaN功率器件比Si和SiC功率器件的导通电阻更低,但是目前其性能远未达到理论值。研究发现主要原因是器件源漏间通过纵向贯通GaN缓冲层,沿Si衬底与GaN缓冲层界面形成了漏电[4]。因此当前提高器件击穿电压的方案主要集中在以下三个方向: (1)改进衬底结构;(2)改进缓冲层结构;(3)改进器件结构。

  3.2.2 实现增强型(常关型)器件

  基于AlGaN/GaN结构的器件是耗尽型(常开型)器件,而具有正阈值电压的增强型(常关型)功率器件能够确保功率电子系统的安全性、降低系统成本和复杂性等,是功率系统中的首选器件。因此,对于GaN功率器件而言,增强型器件实现也是研究者们极其关注的问题。目前国际上多采用凹槽栅、p-GaN栅和氟离子注入等方法直接实现增强型,另外,使用Cascode级连技术间接实现常关型。

  3.2.3 抑制电流崩塌效应

  抑制电流崩塌的方法主要有以下几种:(1)表面钝化,表面钝化的问题是钝化工艺比较复杂,重复性较低,并不能完全消除电流崩塌效应,对器件的栅极漏电流和截止频率有影响,增加了器件的散热问题。(2)场板,2011年,美国HRL用三场板结构结合SiN钝化,实现了高耐压低动态电阻的Si基GaN功率器件,开关速度5us测试状态下,器件350V时动态与静态Ron之比1.2,600V时两者之比1.6[5]。(3)生长冒层,如使用 p型GaN冒层来离化的受主杂质形成负空间电荷层,屏蔽表面势的波动对沟道电子的影响。该方法材料生长过程相对简单,易控制,但是增加了工艺难度,如栅极制作过程比较复杂。(4)势垒层掺杂,该方法增加了沟道电子浓度,或者减少了势垒层表面态密度,一般此种器件都生长了一薄层未掺杂的GaN或AlGaN冒层。

  3.2.4 制造工艺

  GaN功率器件制造工艺与现有Si制造工艺兼容,是促进GaN功率器件产业化和广泛应用一个重要因素。开发与现有Si制造工艺兼容的GaN功率器件制造工艺的关键在于开发无金工艺。2012年,在ISPSD年会上IMEC报道了在8英寸GaN-on-Si晶圆上通过CMOS兼容无金工艺结合凹栅工艺制造的增强型GaN功率晶体管[6]。2012年,在ISPSD年会上IMB-CNM-CSIC报道了在4英寸Si上使用CMOS兼容无金工艺制作了MIS-HEMT和i-HEMT[7]。开发无金工艺最近几年受到了学术界和工业界的极大关注,是降低成本以实现大批量生产和大规模商业化应用的重要途径。

  3.3 功率集成技术

  形成独立且完整的包括GaN功率核心器件、器件驱动、保护电路和周边无源器件在内的直接面对终端应用的功能性模块,是目前GaN功率器件的发展方向。高度集成化的GaN智能功率集成技术将实现传统Si功率芯片技术所达不到的高性能、高工作安全性、高速和高温承受能力。在发展GaN功率器件技术的基础上,开发功率集成技术正逐渐成为近年来GaN研究领域的另一个热点。2008年,美国IR公司发布了基于Si衬底的GaN POL转换器,输入电压12V,12A的负载电流时输出电压1.2V,工作频率6MHz。2009年,美国MIT报道了利用晶片键合和选择性刻蚀制备出Si-GaN-Si晶片 [8]。2009年,陈万军等人报道了GaN-on-Si开关模式Boost转换器,K Y Wong等人成功实现了高压功率器件和外围低压器件的单片集成[9]。2010年,Transphorm发布了分别基于AlGaN/GaN-on-Si和Si Sj-MOSFET的800KHz 220-400V Boost转换器。

  3.4 可靠性

  随着各项器件技术的不断进步,GaN器件已逐渐从实验室向工业界转移,可靠性已成为各界普遍关心的问题。相对于硅功率器件技术,GaN功率器件的可靠性和稳定性研究还相对滞后,器件退化规律、失效机制与模式、增强可靠性方法等虽有一些研究报告,但远不能满足器件走向大规模实际应用阶段的需要。

  影响GaN功率器件可靠性的原因比较复杂,包括材料质量、器件结构和器件工艺等多个方面,根据功率器件的工作模式特点和工作环境,GaN功率器件的可靠性研究重点主要包括以下几点:(1)栅泄漏电流与表面状态;(2)栅金属退化;(3)高电场和高温下热电子/热声子效应;(4)材料质量。

  4 产品相继推出

  随着GaN功率器件的成本降低、电气特性提高和周边技术的扩充,利用GaN功率器件的环境目前正在迅速形成,从2011年下半年至今已有很多企业相继推出了产品,并开始供货GaN功率器件,利用该器件的周边技术也越来越完善。

  美国EPC:2012年之前推出了耐压(40-200)V的系列产品;2013年5月EPC发布了开发板EPC9004,该板使用了200V的eGaN器件EPC2012,已开始供货;2013年6月EPC 发布了降压变换器演示板EPC9107,该演示板使用了eGaN器件EPC2015和TI的栅驱动LM5113,已开始样品供货。美国Transphorm:在2012年发布了耐压600V的GaN类功率二级管、功率晶体管和功率模块;2013年5月,产品TPH3006PS、 TPH3006PD、TPS3410PK和TPS3411PK已开始销售,把通过JEDEC标准的600V的GaN晶体管TPH3006PS用于电源设计,电源效率达97.5%。日本Fujitsu:2012年11月发布成功实现2.5KW的基于GaN功率器件的服务器电源单元;2013年7月展出了耐压30V、150V和600V三款Si基GaN功率器件,已开始样品供货,同时展出了采用600V耐压产品的服务器电源试制品。

  虽然GaN功率器件的实际性能与理论上的性能还存在差距,但就目前器件及其功能电路的测试结果来看,相比传统Si技术已具备十分明显的性能优势,随着GaN功率器件的材料质量、器件技术、功率集成技术和可靠性的逐渐成熟,GaN功率器件很有可能取代Si功率器件,成为功率电子应用中的首选技术方案。

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